Informationstechnik für Ingenieure

Informationstechnik
für Ingenieure
Computernetze und
Internet
Wintersemester
2004/2005
Prof. Dr.
Thomas Wieland
Literatur zur Vorlesung
z
L. Peterson, B. Davie:
Computernetze. dpunkt.verlag,
Heidelberg, 2000
z
z
z
z
www.dpunkt.de/lehrbuch/netze
J. Kurose, K. Ross:
Computernetze. Pearson
Education, 2002
z
www.pearson-studium.de
z
Seite zur Veranstaltung:
A. Tanenbaum: ComputerNetzwerke. 3. Aufl., Pearson
Education, 1999
Viele, viele Internet-Sites
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2
Einführung
Wachstum des Internet
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http://www.navigators.com/statall.gif
4
Kommerzialisierung des
Internet
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http://www.navigators.com/statdom.gif
5
Die Informationsgesellschaft
Arbeitsplätze in der IuK-Branche in Deutschland
850000
800000
750000
700000
650000
1998
1999
2000
2001
Quelle: http://www.bmwi.de/Homepage/download/infogesellschaft/Fortschrittsbericht.pdf
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6
Die Informationsgesellschaft (2)
DSL-Anschlüsse je 1000 Einwohner im Jahr 2001
25
20
15
10
5
0
GB JPN
I
E
F
FIN
A
USA DK
B
D
S
Quelle: http://www.bmwi.de/Homepage/download/infogesellschaft/Fortschrittsbericht.pdf
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7
Die Informationsgesellschaft (3)
DSL-Anschlüsse in Deutschland
5.000.000
4.500.000
4.000.000
3.500.000
3.000.000
2.500.000
2.000.000
1.500.000
1.000.000
500.000
0
2000
2001
DTAG
2002
2003
(geschätzt)
Wettbewerber
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8
Quelle: RegTP
Die Informationsgesellschaft (4)
Internet-Nutzer ab 14 Jahren in Millionen in
Deutschland 1998-2001
35
30
25
20
15
10
5
0
Dez 98
Jun 99
Dez 99
Jun 00
Dez 00
Jun 01
Dez 01
Quelle: http://www.bmwi.de/Homepage/download/infogesellschaft/Fortschrittsbericht.pdf
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9
Fragestellungen
Wie
Wielässt
lässtsich
sichdie
die
Kommunikation
Kommunikationzwischen
zwischen
Rechnersystemen
Rechnersystemenkonkonzeptuell
zeptuellbeschreiben?
beschreiben?
Welche
WelcheAufgaben
Aufgabenmüssen
müssen
dabei
dabeibewältigt
bewältigtwerden?
werden?
Welche
WelcheLösungen
Lösungen
gibt‘s
gibt‘sdafür?
dafür?
Protokolle
Protokollespielen
spielen
zentrale
zentraleRolle
Rolle
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10
Protokoll
z
Kommunikationsregeln zwischen System(komponent)en
z
z
⇒
z
Definition der ausgetauschten Nachrichten
z
z
z
Systeme im Wesentlichen gleichberechtigt
gleiche bzw. spiegelbildliche Aufgabe
horizontale Beziehung
syntaktischer Aufbau
Bedeutung
Festlegung der Realisierung der Operationen, die zur
Abwicklung der Kommunikation erforderlich sind
Kapselung
Kapselung,,d.h.
d.h.interne
interneRealisierung
Realisierungtransparent
transparentfür
fürNutzer
Nutzer
der
derOperationen
Operationen(damit
(damitbessere
bessereÄnderbarkeit)
Änderbarkeit)
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11
Weitere Definitionen
z
Protokollstapel (protocol stack)
z
Dienst (service)
z
Aufbau komplexer Protokolle aus Schichten „einfacherer“ Protokolle
Funktionen, die Protokollschicht i-1 für unmittelbar übergeordnete
Schicht i anbietet
Dienstzugriffspunkt (SAP, service access point)
Schnittstelle, über die Schicht i Dienste der unmittelbar
untergeordneten Schicht i-1 anfordern kann
z
eindeutig über ID ansprechbar
z
Analogien:
z
z
Telefonsystem: Vorwahl+Rufnummer bildet ID für „SAP“ Anschlussdose
Post: Ort+Straße+Hausnummer bildet ID für „SAP“ Haus
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12
Vorlesungsinhalte (1)
1. Grundlagen
z
z
z
Netztopologien
Anforderungen an ein Netz
ISO/OSI-Referenzmodell für offene Systeme
ƒ
ƒ
ƒ
z
Architektur
Aufgaben und Dienste der Schichten
ISO/OSI und TCP/IP
Bandbreite und Performance
2. Anwendungsschicht
z
z
Internet-Anwendungen
Protokolle der Anwendungsschicht
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13
Vorlesungsinhalte (2)
3. Transportschicht
z
z
z
Struktur von TCP/IP
Einfache IP-Protokolle
Transmission Control Protocol (TCP)
4. Vermittlungsschicht und Routing
z
z
z
z
Dienstmodelle im Netz
Routing-Verfahren
Das Internet-Protokoll IP
Adressierung im Internet
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14
Vorlesungsinhalte (3)
5. Sicherungsschicht
z
z
z
z
z
z
Rahmenbildung
Fehlererkennung und Fehlerkorrektur
Lokale Netze
Ethernet
Verbindungselemente
LAN-Switches (Bridges)
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15
Übersicht Teil 1
z
z
z
z
z
z
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
Einführung
Netztopologien
Anforderungen an ein Netz
ISO/OSI-Referenzmodell
ISO/OSI und TCP/IP
Bandbreite und Performance
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16
1.2 Netztopologien
Komponenten
Endsystem
Endsystem
••mit
mitder
derAbwicklung
Abwicklungvon
vonAnwendungsAnwendungsprogrammen
befasster
Rechner
programmen befasster Rechner
••im
imengeren
engerenSinn
SinnSender
Senderbzw.
bzw.EmEmpfänger
von
Nachrichten
pfänger von Nachrichten
Übertragungsmedium
Übertragungsmedium
••Verbindung
Verbindungzwischen
zwischenEndEnd-und
und
Transitsystemen
Transitsystemen
Transitsystem
Transitsystem
••Rechner
Rechnerzur
zurAbwickAbwicklung
von
Kommunikalung von Kommunikationsaufgaben
tionsaufgaben
••im
imWesentlichen
Wesentlichen
Weiterreichen
Weiterreichenvon
von
Nachrichten
Nachrichten
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18
Vermittelte Netze
z
Ein Netz kann rekursiv definiert werden als ...
z
Zwei oder mehr Knoten,
die durch einen Link
verbunden sind, oder
z
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Zwei oder mehr Netze,
die durch zwei oder mehr
Knoten verbunden sind
19
Bus
Mit Terminierung (50 Ω)
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20
Ring
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21
Stern
HUB
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22
Stern-Stern
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23
Stern-Bus
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24
Baum
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25
Maschennetz
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26
1.3 Anforderungen
an ein Netz
Zuverlässigkeit
z
z
z
Netz und seine Dienste sollen 99,9.. % verfügbar sein
Daher: Maßnahmen zur Erhöhung der Zuverlässigkeit
Hardware
z
z
z
z
Stromversorgung (Unterbrechungsfreie Stromversorgung)
Ausfallsichere Hardware für Netzserver (z.B. mit ausreichender
Kühlung)
Mehrere, redundante Verbindungen innerhalb des Netzes (z.B.
durch Ringform)
Software
z
z
z
Spezialisiertes und optimiertes Betriebssystem für
Hochlastnetzverteiler (Router, Switches)
Stabile und fehlertolerante Systeme bei Standardhardware
Stabile Anwendersoftware, aufeinander abgestimmt
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28
Was geht schief im Netz?
z
Ursachen
z
z
z
z
Fehler auf Bitebene (elektrische Interferenzen)
Fehler auf Paketebene (Überlast)
Verbindungs- und Knotenausfälle
Folgen
z
z
z
Nachrichten werden verzögert zugestellt
Nachrichten werden in falscher Chronologie zugestellt
Dritte können mithören!
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29
Skalierbarkeit
z
Netz muss leicht an geänderte Bedingungen anpassbar sein
z
z
z
Zusätzliche Teilnehmer (Knoten)
Weniger Teilnehmer
mehr Netzlast
z
z
z
Veränderte Hardware
z
z
z
Neue Anwendungen, z.B. Video-Übertragung
Gestiegene Nutzungsfrequenz
Schnellere oder zusätzliche Prozessoren
Leitungen mit höherer Bandbreite
Erforderlich: Skalierbarkeit auf allen Ebenen
z
z
z
Leitungen und Übertragungskapazitäten
Betriebssysteme der Netzkomponenten
Serversoftware
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30
Sicherheit
z
z
z
z
Standort der Server sicher vor Brand/Wasserschäden,
Sabotage etc.
Regelmäßige Datensicherungen der Server, sichere
Verwahrung der Backup-Datenträger
verteilte Datenhaltung (z. B. Raid Systeme)
Informationssicherheit
z
z
z
z
z
z
Authentisierung (Sicherstellen der Identität eines
Teilnehmers/Knotens)
z
Abfrage von Kennwörtern, Überprüfung der Hardware-Identität
z
Z.B. verschlüsselte Übertragung von Kennwörtern
Authorisierung (Rechte der Teilnehmer für Zugriff auf Ressourcen
im Netz)
Verschlüsselung vertraulicher Daten
Sicherstellung der unveränderten Übertragung von Daten
Zugang von außen geschützt durch eine Firewall
Proxy-Server für das Surfen im Netz
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31
Geschwindigkeit
Effektiver Datendurchsatz wird durch Latenz und
Bandbreite der einzelnen Verbindungselemente
bestimmt
=> alle Elemente müssen aufeinander abgestimmt
sein:
z
z
z
z
z
z
Anwendersoftware
Worksstations am Arbeitsplatz
Netzwerkkarte
Verkabelung
Transitstationen (Switches, Router, Gateways, Firewalls,
Proxies)
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32
1.4 ISO/OSIReferenzmodell
Schichtenbildung
z
z
z
Verwende Abstraktionen, um die
Komplexität zu verbergen
Abstraktion führt natürlicherweise
zu Schichtenbildung
Verschiedene Abstraktionen in jeder
Schicht
Anwendungsprogramme
Anfrage/Antwort- NachrichtenstromKanal
Kanal
Verbindung zwischen Hosts
Hardware
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34
ISO/OSI-Referenzmodell
Zielsetzung
z
Rahmen für die Standardisierung von Kommunikationsprotokollen
bezüglich ihres Verhaltens nach außen
z
z
ISO = International Standardization Organization
Schaffung der Grundlage für offene Systeme:
z
OSI = Open Systems Interconnection
Offenes System:
z
z
z
Systeme, die darauf angelegt sind, mit anderen Systemen zu
kommunizieren
Basis ist die Erfüllung von Standards für den Datenaustausch
Kompatibilität unterschiedlicher und heterogener Systeme miteinander
Geschlossenes System:
z
z
proprietäre Kommunikationsmechanismen
inkompatibel mit anderen Systemen
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35
Entwurfsprinzipien
z
Reduzierung der Komplexität durch Definition einer
Schichtenhierarchie
z
z
z
z
z
z
unterschiedliche Abstraktionsebenen der Schichten
genau definierte Funktion jeder Schicht
gegenseitige Nutzung von Funktionen nur zwischen benachbarten
Schichten
sinnvolle Balance zwischen Trennung unterschiedlicher Funktionen
und Handhabbarkeit der Architektur
minimaler Informationsfluss zwischen benachbarten Schichten
Kompatibilität mit international genormten Protokollen bei Definition
von Funktionen
Hierarchie
Hierarchieaus
aus77Schichten
Schichten
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36
Aufgaben der
Anwendungsschicht (Schicht 7)
z
z
englische Bezeichnung: Application Layer
spezifischer Anwendungsprotokolle für häufig
benötigte Dienste, z.B.
z
z
z
z
z
z
z
Dateitransfer (ftp)
Nutzung entfernter Rechner (telnet, rlogin)
E-Mail (smtp, X.400)
Verzeichnis- und Namensdienste (DNS, X.500)
Elektronischer Datenaustausch (EDI)
Informationsdienste (http)
Identifikation und Lokalisierung von
Kommunikationspartnern, Authentisierung
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37
Aufgaben der Darstellungsschicht
(Schicht 6)
z
z
englische Bezeichnung: Presentation Layer
gemeinsames Datenformat
z
z
z
Zahlenformate (Byte-Ordnung), Stringdarstellung
Umwandlung von lokaler in Transfersyntax (z.B. Abstract
Syntax Notation (ASN.1) oder External Data Representation
(XDR)) und umgekehrt
Datenverschlüsselung und -kompression
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38
Aufgaben der Sitzungsschicht
(Schicht 5)
z
z
englische Bezeichnung: Session Layer
Dialogsteuerung während der Sitzung
z
z
Halb- oder Vollduplexbetrieb
Transaktionskontrolle
z
z
Einstreuen von Synchronisationspunkten
Wiederaufsetzen auf dem letzten gültigen
Synchronisationspunkt im Fehlerfall
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39
Aufgaben der
Transportschicht (Schicht 4)
z
z
englische Bezeichnung: Transport Layer
Ende zu Ende-Kommunikation
Kommunikation zwischen Quelle und Ziel
Aufbau und Trennung von Verbindungen, Flusssteuerung
Unabhängigkeit von beteiligten Subnetzen, deren Qualität und
deren verwendeter Technologie
z
z
z
z
Mechanismen zur Steigerung des Durchsatzes
ggf. Aufbau mehrerer Verbindungen und parallele Nutzung
überlappende Nutzung einer Verbindung (Multiplexing)
z
z
z
Dienstgüte und -art
Verhandlung zwischen beteiligten Parteien z.B. über
z
z
z
Umfang der Fehlerbehandlung
Form der Verbindungsnutzung (Punkt-zu-Punkt, Broadcast ...)
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40
Aufgaben der
Vermittlungsschicht (Schicht 3)
z
z
englische Bezeichnung: Network Layer
Steuerung des Subnetzes
z
Leitwegbestimmung für zu übermittelnde Pakete
z
z
Überlastungssteuerung
z
z
Umsetzung beim Übergang zwischen heterogenen Netzen
z
z
Vermeidung bzw. Auflösung von Engpässen bei hohem
Verkehrsaufkommen
Anpassung von Paketformaten und Adressierungsschemata
z
z
statische oder dynamische Festlegung der zu verwendenden Route
vor allem wichtig im Internet
Segmentierung von Paketen in Rahmen (senderseitig) bzw.
Zusammenfügen von Rahmen zu Paketen (empfangsseitig)
Abrechnungsfunktion
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41
Aufgaben der
Sicherungsschicht (Schicht 2)
z
z
englische Bezeichnung: Data Link Layer
Strukturierung des Bitstroms
z
z
z
Gesicherte Übertragung von Daten
z
z
z
z
Zerlegung des Bitstroms in Blöcke (Rahmen) fester oder variabler
Länge
Kennzeichnung der Rahmengrenzen, z.B. durch Sondersymbole
Austausch von Daten- und zugehörigen Quittungsrahmen
Flusssteuerung zur Vermeidung von Datenüberflutung und verlust
Fehlererkennung und -behebung
Kanalzugriffsregelung
z
konkurrierender oder gesteuerter Kanalzugriff
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42
Aufgaben der Bitübertragungsschicht
(Schicht 1)
z
z
englische Bezeichnung: Physical Layer
Übertragung eines „rohen“ Bitstroms
z
z
z
über Kommunikationskanal, der zwei beteiligte Partnerinstanzen
physisch miteinander verbindet
ungesicherte reihenfolgeerhaltende Datenübertragung
Festlegungen
z
z
z
Betriebsart (Übertragungsrichtung, Parallelität, Synchronisation)
Darstellungsform der Elementarinformation (Signalcodierung,
Modulationsart, Trägerfrequenz)
Übertragungsmedium (elektrische Spannung über Kabel,
Lichtimpulse über Lichtwellenleiter, elektromagnetische Strahlung
per Radio oder Mikrowellenübertragung)
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43
Gruppierung der Schichten
Häufig Unterscheidung zwischen
z
z
netzwerk-orientierten Schichten (Schicht 1 bis 4) und
anwendungs-orientierten Schichten (Schicht 5 bis 7)
beziehungsweise zwischen
z
Transitschichten (Schicht 1 bis 3)
z
z
sowohl in Transit- als auch Endsystemen erforderlich
Endsystemschichten (Schicht 4 bis 7)
z
nur in Endsystemen erforderlich, nicht in Transitsystemen
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44
Übertragung im OSI-Modell
Daten
SENDER
Anwendungsschicht
Darstellungsschicht
Sitzungsschicht
H7 Daten
H6
H5
Transportschicht
Vermittlungsschicht
Sicherungsschicht
Bitübertragungsschicht
EMPFÄNGER
H4
H3
H2
Anwendungsschicht
Darstellungsschicht
Daten
Sitzungsschicht
Daten
Daten
Transportschicht
Daten
Daten
Bitstrom
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T2
Vermittlungsschicht
Sicherungsschicht
Bitübertragungsschicht
45
Prinzipielle Struktur einer
OSI-Nachricht
Nutzdaten
Header Schicht 7
Trailer Schicht 2
Header Schicht 6
Header Schicht 5
Header Schicht 4
Header Schicht 3
Header Schicht 2
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46
1.5 ISO/OSI und
TCP/IP
Internet-Architektur
z
z
z
Definiert von der Internet Engineering Task Force
(IETF)
"Doppelkegel"-Design
Anwendung vs. Anwendungsprotokoll (FTP, HTTP)
FTP
HTTP
NV
TFTP
UDP
TCP
IP
NET1
NET2
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…
NETn
48
Beziehung der Schichten
Anwendungsschicht
Anwendungsschicht
Sitzungsschicht
Sitzungsschicht
Host-to-Host
Host-to-Host
Transport
Transport Layer
Layer
Transportschicht
Transportschicht
Internet
InternetLayer
Layer
Vermittlungsschicht
Vermittlungsschicht
Network
NetworkAccess
Access
Layer
Layer
Sicherungsschicht
Sicherungsschicht
ISO/OSI
TCP/IP
Application
ApplicationLayer
Layer
Darstellungsschicht
Darstellungsschicht
Bitübertragungsschicht
Bitübertragungsschicht
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49
Gemeinsamkeiten und
Unterschiede (1)
z
Modellarchitektur
z
z
gemeinsamer Grundgedanke: Stapel unabhängiger
Protokolle
ISO/OSI-Modell
z
Ungleichgewicht der Schichten
ƒ
ƒ
z
z
z
Sitzungs- und Darstellungsschicht kaum genutzt
Vermittlungs- und Sicherungsschicht überladen
Adressierung, Flusssteuerung und Fehlerkontrolle über
mehrere Schichten ver-teilt
Datensicherheit und Verschlüsselung nicht berücksichtigt
TCP/IP-Modell
z
Vermischung von Sicherungs- und Bitübertragungsschicht
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50
Gemeinsamkeiten und
Unterschiede (2)
z
Grundmodell und Protokolle
z
ISO/OSI-Modell zunächst auf konzeptueller Ebene
entwickelt, dann durch Protokolle unterlegt
z
Definition von Zwischenschichten aufgrund von Erkenntnissen
bei Entwicklung/ Einsatz von Protokollen
ƒ
z
Modell schwierig zu implementieren
ƒ
z
Erweiterungen des Modells
z.T. komplexe und unhandliche Protokolle
TCP/IP-Modell durch Abstraktion vorhandener Protokolle
entstanden
z
z
z
TCP/IP-Modell passt nur zu TCP/IP
keine allgemeine theoretisch fundierte Architektur
effiziente Implementierungen, z.B. in BSD UNIX
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Gemeinsamkeiten und
Unterschiede (3)
z
Grundkonzepte
z
ISO/OSI-Modell
z
konzeptuelle Unterscheidung zwischen
ƒ
ƒ
ƒ
z
Leistungsangebote
Protokollen: Implementierung bestimmter Dienste
TCP/IP-Modell
z
⇒
Diensten: Leistungsangebot für andere Schichten
Schnittstellen: Beschreibung der Zugriffsmöglichkeiten auf
keine klare Unterscheidung zwischen Diensten, Schnittstellen
und Protokollen
Protokolle im ISO/OSI-Modell leichter austauschbar
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Gemeinsamkeiten und
Unterschiede (4)
z
Kommunikationsarten
z
ISO/OSI-Modell
z
z
z
z
z
ursprünglich stark auf verbindungsorientierte Dienste und Protokolle
ausgerichtet
verbindungslose Dienste und Protokolle erst im Nachhinein
berücksichtigt
auf Vermittlungsschicht verbindungsorientierte und verbindungslose
Kommuni-kation
auf Transportschicht nur verbindungsorientierte Kommunikation
TCP/IP-Modell
z
z
auf Vermittlungs- (Internet-)schicht nur verbindungslose
Kommunikation
auf Transportschicht verbindungsorientierte und verbindungslose
Kommunikation
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53
1.6 Bandbreite und
Performance
Performance-Metrik
z
Bandbreite (Datendurchsatz)
z
z
z
Pro Zeiteinheit übermittelte Datenmenge
Über eine Verbindung oder Ende-zu-Ende
Notation:
z
z
z
KB = 210 bytes
Mbps = 106 bits per second
Latenz (Verzögerung)
z
z
z
Zeit, um eine Nachricht von A nach B zu senden
Unidirektional oder "round-trip time" (RTT)
Bestandteile
Latenz = Ausbreitungsverzögerung + Übertragungsverzögerung + Wartezeit
Ausbreitungsverzögerung = Entfernung/Lichtgeschwindigkeit
Übertragungsverzögerung = Paketgröße/ Bandbreite
Informationstechnik für Ingenieure - Computernetze, Wintersemester 2004/2005
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Bandbreite gegenüber Latenz
z
Relative Bedeutung
z
z
z
Roundtrip-Zeit überwiegt
z
z
z
z
1-byte: Latenz dominiert, 1ms statt 100ms bringt mehr als
100Mbps Bandbreite statt 1Mbps
25MB: Bandbreite dominiert, 100Mbps statt 1Mbps bringt mehr
als 1ms Latenz statt 100ms
Durchsatz = TransferGröße / TransferZeit
TransferZeit = RTT + 1/Bandbreite x TransferGröße
Unendliche Bandbreite: Transferzeit -> RTT
Eine 1-MB Datei über eine 1-Gbps-Verbindung verhält sich
wie ein 1-kB Paket über eine 1-Mbps-Verbindung
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Produkt aus Verzögerung x
Bandbreite
z
z
Datenmenge, die gerade “unterwegs” oder “in der
Pipeline” ist
Beispiel: 100ms x 45Mbps = 560KB
Verzögerung
Bandbreite
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Aufgabe
Berechnen Sie die Latenz (vom ersten gesendeten bis
zum letzten empfangenen Bit) für ein 10 MBit/sEthernet mit drei Speichervermittlern (Store-andForward-Switche) auf der Strecke und einer
Paketgröße von 5.000 Bit. Gehen Sie davon aus, dass
jede Verbindungsleitung eine Ausbreitungsverzögerung von 10 µs einführt und dass jeder Switch
sofort, nachdem er ein Paket vollständig empfangen
hat, mit der erneuten Übertragung beginnt.
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